Artykuł metodologiczny

Zautomatyzowane testy kompresji soczewki gałki ocznej

2.6K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/66040

⸱

5 kwietnia 2024

 ,  , 
1Department of Biomedical Engineering, The Ohio State University, 2Department of Ophthalmology & Visual Sciences, The Ohio State University

W tym artykule

Podsumowanie

Prezentujemy zautomatyzowaną metodę charakteryzowania efektywnego modułu sprężystości soczewki okularowej za pomocą testu kompresji.

Streszczenie

Biomechaniczne właściwości soczewki ocznej są niezbędne do jej funkcjonowania jako elementu optycznego o zmiennej mocy. Właściwości te zmieniają się dramatycznie wraz z wiekiem ludzkiej soczewki, powodując utratę widzenia z bliska zwaną starczowzrocznością. Mechanizmy tych zmian pozostają jednak nieznane. Kompresja soczewki oferuje stosunkowo prostą metodę oceny sztywności biomechanicznej soczewki w sensie jakościowym, a w połączeniu z odpowiednimi technikami analitycznymi może pomóc w ilościowym określeniu właściwości biomechanicznych. Do tej pory przeprowadzono różne testy kompresji soczewek, w tym zarówno ręczne, jak i automatyczne, ale metody te niekonsekwentnie stosują kluczowe aspekty testów biomechanicznych, takie jak kondycjonowanie wstępne, szybkość obciążenia i czas między pomiarami. W tym artykule opisano w pełni zautomatyzowany test kompresji obiektywu, w którym zmotoryzowany stolik jest synchronizowany z kamerą w celu uchwycenia siły, przemieszczenia i kształtu soczewki w zaprogramowanym protokole ładowania. Na podstawie tych danych można następnie obliczyć charakterystyczny moduł sprężystości. Chociaż zademonstrowano to tutaj przy użyciu soczewek wieprzowych, podejście to jest odpowiednie dla kompresji soczewek dowolnego gatunku.

Wprowadzenie

Soczewka jest przezroczystym i elastycznym organem znajdującym się w oku, który pozwala mu skupiać się na różnych odległościach poprzez zmianę jego mocy refrakcyjnej. Ta zdolność jest znana jako akomodacja. Moc refrakcyjna ulega zmianie w wyniku skurczu i rozluźnienia mięśnia rzęskowego. Kiedy mięsień rzęskowy kurczy się, soczewka pogrubia się i przesuwa do przodu, zwiększając swoją moc refrakcyjną1,2. Wzrost mocy refrakcyjnej pozwala obiektywowi skupić się na pobliskich obiektach. Wraz z wiekiem soczewka staje się sztywniejsza i ta zdolność do adaptacji jest stopniowo tracona; Ten stan jest znany jako starczowzroczność. Mechanizm usztywnienia pozostaje nieznany, przynajmniej częściowo ze względu na trudności związane z biomechaniczną charakterystyką soczewki.

Zastosowano różne metody do oszacowania sztywności soczewek i właściwości biomechanicznych. Należą do nich obracanie obiektywów3,4,5, metody akustyczne6,7,8, metody optyczne, takie jak mikroskopia Brillouin9, indentation10,11 i kompresja12,13. Kompresja jest najbardziej dostępną techniką eksperymentalną, ponieważ można ją wykonać za pomocą prostego oprzyrządowania (np. szklane szkiełka nakrywkowe14,15) lub pojedynczego zmotoryzowanego etapu. Wcześniej pokazaliśmy, w jaki sposób właściwości biomechaniczne soczewki mogą być rygorystycznie oszacowane na podstawie testu kompresji16. Proces ten jest technicznie trudny i wymaga specjalistycznego oprogramowania, które nie jest łatwo dostępne dla badaczy obiektywów zainteresowanych pomiarami sztywności względnej. Dlatego w niniejszym badaniu skupiamy się na dostępnych metodach szacowania modułu sprężystości soczewki z uwzględnieniem rozmiaru soczewki. Moduł sprężystości jest nieodłączną właściwością materiału związaną z jego odkształcalnością: wysoki moduł sprężystości odpowiada sztywniejszemu materiałowi.

Test sam w sobie jest równoległym testem ściskania płyty i dlatego może być przeprowadzony na odpowiednich komercyjnych systemach testowania mechanicznego. W tym przypadku skonstruowano niestandardowy instrument składający się z silnika, stolika liniowego, kontrolera ruchu, ogniwa obciążnikowego i wzmacniacza. Były one kontrolowane za pomocą specjalnego oprogramowania, które rejestrowało również czas, pozycję i obciążenie w regularnych odstępach czasu. Soczewki dla świń nie mieszczą się, ale są łatwo dostępne i niedrogie17. Poniższa metoda została opracowana w celu stopniowego ściskania soczewki oka i ilościowego określania jej modułu sprężystości. Metoda ta może być łatwo powtórzona i będzie przydatna w badaniu sztywności soczewek.

Protokół

Oczy świni zostały uzyskane z lokalnej rzeźni. Nie była wymagana zgoda komisji etycznej.

1. Sekcja obiektywu (Rysunek 1)

  1. Usuń całą otaczającą tkankę z oczu świni i nadmiar mięsa z twardówki, aż pozostanie tylko nerw wzrokowy. Użyj zakrzywionych kleszczy i małych nożyczek do preparowania, aby zakończyć ten proces. Użyj nerwu jako kotwicy do przytrzymania oka podczas sekcji.
  2. Za pomocą skalpela wykonaj krótkie cięcie obwodowe na rąbku, a następnie drugie na równiku.
    UWAGA: Ten krok jest wykonywany w tej kolejności, aby uniknąć uszkodzenia soczewki i kapsułki.
  3. Włóż mikronożyczki do nacięcia na rąbku i usuń rogówkę, podnosząc rogówkę cienkimi, tępo zakończonymi kleszkami, jednocześnie przecinając obwód rogówki.
  4. Usuń tęczówkę, podnosząc za pomocą kleszczy z końcówkami i odetnij mikronożyczkami.
  5. Włóż nożyczki preparacyjne do cięcia równikowego, a następnie przetnij obwodowo wokół całego równika, aż twardówka zostanie przecięta na pół.
  6. Po zakończeniu cięcia usuń tylną część twardówki. Delikatnie usuń ciało szkliste za pomocą kleszczy, pozostawiając minimalne resztki, aby uniknąć uszkodzenia soczewki. W razie potrzeby przeciąć ciało szkliste koronalnie, aby umożliwić odsunięcie się tylnej części soczewki od soczewki i przedniego odcinka.
  7. Wykonaj południkowe przecięcie przez twardówkę od przodu do tyłu za pomocą mikronożyczek.
  8. Zaczynając od nowego południkowego przecięcia twardówki, użyj mikronożyczek, aby odciąć zonule od soczewki. Wykorzystując ciężar soczewki lub krawędzi naczynia rozwarstwiającego, delikatnie rozciągnij zonule podczas lekkiego rozsuwania soczewki i twardówki, pozwalając mikronożyczkom przeciąć między soczewką a ciałem rzęskowym, przez strefy i na obwodzie soczewki. Spowoduje to odizolowanie soczewki bez uszkodzenia kapsuły obiektywu, jeśli zostanie wykonane prawidłowo.
  9. W razie potrzeby wyjmij kapsułkę za pomocą kleszczyków, aby nakłuć kapsułkę na jej równiku, a następnie oderwij kapsułkę za pomocą dwóch kleszczyków.
  10. Umieść soczewkę w soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS). Sprawdź wzrokowo soczewkę pod kątem uszkodzeń przed testami mechanicznymi.

2. Kompresja obiektywu z/bez kapsuły na soczewkę (Rysunek 2)

UWAGA: Wszystkie kroki tutaj, z wyjątkiem kroków 2.1 i 2.4, są kontrolowane przez komputer

.
  1. Uzyskać lub skonstruować równoległy aparat do ściskania płytek o nośności 50 gramów i sile 50 gramów, zdolny do pomiaru przemieszczenia rzędu 1 μm.
  2. Zaprogramuj zmotoryzowany stage i załaduj ogniwo, aby wykonać schemat ładowania opisany poniżej (np. Plik uzupełniający 1).
  3. Prawie wypełnij kwadratowe pudełko o wymiarach 1 5/8 cala x 1 5/8 cala PBS i umieść je na platformie kompresyjnej.
  4. Opuść górną płytę tak, aby stykała się z dolną płytą, aby określić dolną granicę ruchu i bezwzględną wysokość szczeliny.
  5. Podnieś górną płytę o ~15 mm.
  6. Wyśrodkuj soczewkę w pudełku, uważając, aby płaszczyzna równikowa była pozioma.
  7. Opuść górną płytkę blisko górnej powierzchni soczewki, ale nie stykając się z nią.
  8. Zainicjuj ruch, aby przesunąć górną płytkę w kontakt z soczewką, używając sprzężenia zwrotnego siły z progiem kontaktu 3 mN.
  9. Rozpocznij rejestrację danych po określeniu kontaktu, czasu zapisu, położenia górnej płyty względem dolnej płyty i siły przy 500 Hz.
  10. Zastosuj obciążenie kondycjonujące wstępnie, w którym soczewka jest trzykrotnie ściskana o 2.5% swojej początkowej wysokości, następnie trzykrotnie 5%, a następnie trzykrotnie 7.5% z szybkością 1%/s.
  11. Utrzymuj stałą pozycję górnej płyty przez 1 minutę po kondycjonowaniu wstępnym.
  12. Zastosuj 15% kompresję z szybkością 1%/s, a następnie rozładowuj z taką samą szybkością.
  13. Kontynuuj ruch rozładowczy, aż górna płyta przesunie dodatkowe 2% grubości nieobciążonej soczewki od dolnej płyty, aby upewnić się, że soczewka nie przylega do górnej płyty.

3. Oszacowanie modułu soczewki

  1. Oszacuj grubość soczewki na podstawie szczeliny instrumentu w punkcie styku. Alternatywnie można użyć analizy obrazu, aby zmierzyć grubość ze zdjęcia wykonanego przed badaniem.
  2. Oblicz moduł sprężystości E przy użyciu modelu Hertz do ściskania kuli między równoległymi płytami (równanie [1]; Plik uzupełniający 2).
    figure-protocol-1 (1)
    gdzie R jest promieniem krzywizny w punkcie styczności (przyjmuje się, że jest równy połowie grubości soczewki); F jest siłą ściskającą zgłaszaną przez ogniwo obciążnikowe; figure-protocol-2 jest współczynnikiem Poissona (zakłada się, że wynosi 0,5 odpowiadającym materiałowi nieściśliwemu); a u to zbliżenie górnego stopnia do punktu styku. Należy pamiętać, że moduł sprężystości i współczynnik Poissona są właściwościami materiału wskazującymi odpowiednio na wewnętrzną sztywność soczewki i względną ściśliwość soczewki.
    UWAGA: Ta metoda zaniedbuje jakąkolwiek rolę torebki soczewki, ale w przybliżeniu uwzględnia rozmiar soczewki, umożliwiając porównanie między gatunkami.

Wyniki

Sześć świńskich soczewek zostało skompresowanych, najpierw z nienaruszoną kapsułą, a następnie po ostrożnym usunięciu kapsuły. Wartości grubości wynosiły 7,65 ± 0,43 mm dla soczewek zamkniętych i 6,69 ± 0,29 mm dla soczewek dekapsulowanych (średnia ± odchylenie standardowe). Typowa historia ładowania jest pokazana w Rysunek 3. Uzyskane krzywe siła-przemieszczenie były dobrze dopasowane przez model Hertza (tj. miały siłę proporcjonalną do przemieszczenia podniesioną do potęgi 1,5; Rysunek 4). Dotyczyło to zarówno soczewek w obudowie, jak i w decapsulacji.

Soczewki zostały najpierw ściśnięte o 15% ich niezaładowanej grubości za pomocą nienaruszonej kapsułki, a następnie po usunięciu kapsuły. Wcześniej wykazano, że kompresja osiowa o 15% początkowej grubości nie powoduje uszkodzenia szwów soczewki18. Dekapsulacja spowodowała znaczne zmniejszenie efektywnego modułu sprężystości (n = 6; p = 0,0138; Rysunek 5).

figure-results-1
Rysunek 1: Technika preparacji. (A) Tkanki zewnątrzgałkowe są usuwane. (B) Na rąbku wykonuje się cięcie obwodowe. (C) Na równiku wykonuje się cięcie obwodowe. (D) Rogówka zostaje usunięta. (E) Tęczówka jest usuwana. (F) Oko jest przecięte na pół na równiku, następnie (G) ciało szkliste jest usuwane, pozostawiając (H) pierścieniowy pierścień zawierający soczewkę, ciało rzęskowe i zonule nadal przyczepione do twardówki. (I) Przez twardówkę wykonuje się południkowe cięcie, aby (J) umożliwić dostęp do stref, (K), które są odcinane, pozostawiając (L) obudowaną soczewkę. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Aparatura do testowania kompresji. (A) Schemat i (B) zdjęcie aparatu do kompresji obiektywu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Zastosowana historia ładowania dla zamkniętej soczewki świni. U góry: Historia przemieszczeń. Na dole: Historia wymuszeń. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 4: Typowe dane dotyczące siły i przemieszczenia dopasowane do modelu Hertz. Po lewej: Dane dla zamkniętej soczewki świńskiej. Po prawej: Dane kompresji dla tego samego obiektywu po dekapsulacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Rysunek 5: Wykres pudełkowy i wąsów efektywnych modułów sprężystości soczewki świni zamkniętej i zdecapsulowanej. Efektywny moduł soczewek zamkniętych w obudowie był znacznie wyższy niż w przypadku soczewek pozbawionych kapsułki (p = 0,013), co wskazuje, że obecność kapsułki może znacząco zmienić efektywną sztywność soczewki. Dane dotyczą sześciu obiektywów. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Plik uzupełniający 1: Aplikacja MATLAB do sterowania aparatem do kompresji soczewek. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Plik uzupełniający 2: Funkcja MATLAB do szacowania modułu sprężystości na podstawie danych dotyczących siły ściskającej. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Dyskusja

Kompresja soczewki to wszechstronna metoda szacowania sztywności soczewki. Opisane powyżej procedury pozwalają na porównanie soczewek różnych gatunków i różnych rozmiarów. Wszystkie odkształcenia są normalizowane w zależności od rozmiaru soczewki, a obliczenie modułu sprężystości w przybliżeniu uwzględnia rozmiar soczewki. Moduł efektywny jest znacznie wyższy niż moduł zgłoszony wcześniej dla soczewkiświni 4,7,11,19, przynajmniej częściowo ze względu na zastosowanie grubości, a nie promienia krzywizny: promienie biegunowe soczewki świni są znacznie większe niż połowa grubości 20.

Przedstawiona tu prosta analiza (tj. wykorzystanie modelu Hertza) ma kilka kluczowych ograniczeń. Po pierwsze, nie uwzględnia obecności kapsułki obiektywu. Wykazano, że obecność kapsułki może znacząco zmienić właściwości biomechaniczne soczewki16,21. Dlatego tę metodę najlepiej stosować do soczewek pozbawionych kapsułki. Jest to szczególnie ważne przy porównywaniu gatunków w przypadkach, gdy kapsułka może znacząco różnić się grubością lub właściwościami biomechanicznymi. Metoda ta zakłada również, że soczewka jest jednorodna mechanicznie; My i inni wykazaliśmy wcześniej, że na ogół nie dotyczy to soczewekświńskich lub ludzkich 4,5,6,10,11,22. Dlatego najlepiej jest rozważyć wartość modułu sprężystości obliczoną jako moduł efektywny, który jest przypuszczalnie związany ze średnią objętościową modułu zmieniającego się przestrzennie w soczewce. Model Hertza zakłada, że soczewka jest liniowo elastyczna, podczas gdy wiadomo, że jest lepkosprężysta; W związku z tym proponowana tutaj prosta analiza nie jest w stanie dostarczyć informacji na temat lepkosprężystości soczewek. Wcześniejsze prace wykazały również, że metoda i czas przechowywania soczewek przed testowaniem mogą zmieniać właściwości soczewek4; W związku z tym wszystkie soczewki świń zostały przetestowane natychmiast po sekcji po przybyciu do laboratorium.

Różnica w pomiarach siły i przemieszczenia wynika z szumów ze wzmacniacza ogniwa obciążnikowego: usunięcie kapsuły sprawia, że pomiary siły są znacznie niższe, a zatem stosunek sygnału do szumu jest niższy. Do założeń przyjętych przy wyprowadzaniu modelu Hertza należy przede wszystkim to, że kula jest materiałem jednorodnym; W związku z tym efektywny moduł sprężystości w jakiś sposób uśrednia odkształcalność soczewki i jej torebki, gdy kapsułka jest obecna. To sprawia, że porównania międzygatunkowe i międzywiekowe są szczególnie trudne, ponieważ soczewka świni ma kapsułkę o grubości ~60 μm, podczas gdy soczewka myszy lub człowieka ma kapsułkę o grubości 5-15 μm. Moduł sprężystości kapsułki może się również różnić w zależności od gatunku i wieku, choć zależności te nie są znane. Tak więc, chociaż możliwe jest uzyskanie mniej głośnego dopasowania do kapsułki, porównanie jest z natury zagmatwane przez obecność kapsułki - to jest powód, dla którego zalecamy wykonanie testu bez kapsułki.

Ostatecznie obliczono efektywny moduł przy założeniu, że promień krzywizny był równy połowie grubości soczewki. Dotyczy to tylko soczewek sferycznych; Soczewka świni jest znacznie asferyczna, a więc wartości modułu efektywnego są znacznie wyższe niż w przypadku zastosowania promienia krzywizny. To ostatnie założenie można obalić, mierząc promienie krzywizny, choć może to być skomplikowane w przypadku dolnej powierzchni, która jest zawsze płaska z powodu kontaktu z dolną płytą. Jest to również mniej ważne w przypadku soczewek bardziej sferycznych, takich jak soczewki mysie. Jeszcze lepsze jest zastosowanie odwrotnej analizy elementów skończonych w celu ustalenia właściwości mechanicznych soczewki16.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.

Podziękowania

Wspierane przez National Institutes of Health grant R01 EY035278 (MR).

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Zakrzywione kleszcze ogólnego przeznaczenia ze średnim punktemFisherbrand16-100-110
Galil Biblioteki COMGalil Motion Control
Precyzyjny uchwyt skalpela Fisherbrand12-000-164
Stolik liniowyMcMaster-Carr6734K4 0,125-calowy
czujnik wagowyFUTEKLSB200-FSH03869
Wzmacniacz ogniw obciążnikowychFUTEKIAA300-FSH03931
MATLABThe Mathworks, Inc.
mikrosondy 22-079-740
Miniaturowe precyzyjne nożyczki samootwierające Excelta 63042-004
Kontroler ruchuGalil Motion ControlDMC-31012
MotorGalil Motion ControlBLM-N23-50-1000-B
Hemastaty proste Nauka piękna NC9247203ze stali nierdzewnej, 14cm 
Konstrukcja chirurgiczna

Bibliografia

  1. Gullstrand, A. Helmholtz's treatise on physiological optics. translated edn. The Optical Society of America. , Rochester, N.Y. (1924).
  2. Helmholtz, H. Uber die akkommodation des auges. Arch Ophthalmol. 1, 1-74 (1855).
  3. Burd, H. J., Wilde, G. S., Judge, S. J. An improved spinning lens test to determine the stiffness of the human lens. Exp Eye Res. 92 (1), 28-39 (2011).
  4. Reilly, M. A., Martius, P., Kumar, S., Burd, H. J., Stachs, O. The mechanical response of the porcine lens to a spinning test. Z Med Phys. 26 (2), 127-135 (2016).
  5. Fisher, R. F. The elastic constants of the human lens. J Physiol. 212 (1), 147-180 (1971).
  6. Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Spatially mapping the elastic properties of the lens using bubble-based acoustic radiation force. IEEE Ultrasonics Symp. 1, 613-616 (2005).
  7. Erpelding, T. N., Hollman, K. W., O'Donnell, M. Mapping age-related elasticity changes in porcine lenses using bubble-based acoustic radiation force. Exp Eye Res. 84 (2), 332-341 (2007).
  8. Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. A high pulse repetition frequency ultrasound system for the ex vivo measurement of mechanical properties of crystalline lenses with laser-induced microbubbles interrogated by acoustic radiation force. Phys Med Biol. 57 (15), 4871-4884 (2012).
  9. Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by Brillouin optical microscopy. Biophys J. 101 (6), 1539-1545 (2011).
  10. Weeber, H. A., Gabriele, E., Wolfgang, P. Stiffness gradient in the crystalline lens. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol. 245 (9), 1357-1366 (2007).
  11. Reilly, M. A., Ravi, N. Microindentation of the young porcine ocular lens. J Biomech Eng. 131 (4), 044502(2009).
  12. Gu, S., et al. Connexin 50 and AQP0 are essential in maintaining organization and integrity of lens fibers. Invest Ophthalmol Vis Sci. 60 (12), 4021-4032 (2019).
  13. Sharma, P. K., Busscher, H. J., Terwee, T., Koopmans, S. A., van Kooten, T. G. A comparative study on the viscoelastic properties of human and animal lenses. Exp Eye Res. 93 (5), 681-688 (2011).
  14. Cheng, C., Gokhin, D. S., Nowak, R. B., Fowler, V. M. Sequential application of glass coverslips to assess the compressive stiffness of the mouse lens: strain and morphometric analyses. J Vis Exp. (111), e53986(2016).
  15. Baradia, H., Negin, N., Adrian, G. Mouse lens stiffness measurements. Exp Eye Res. 91 (2), 300-307 (2010).
  16. Reilly, M. A., Cleaver, A. Inverse elastographic method for analyzing the ocular lens compression test. J Innov Opt Health Sci. 10 (06), 1742009(2017).
  17. Hahn, J., et al. Measurement of ex vivo porcine lens shape during simulated accommodation, before and after fs-laser treatment. Invest Ophthalmol Vis Sci. 56 (9), 5332-5343 (2015).
  18. Parreno, J., Cheng, C., Nowak, R. B., Fowler, V. M. The effects of mechanical strain on mouse eye lens capsule and cellular microstructure. Mol Biol Cell. 29 (16), 1963-1974 (2018).
  19. Yoon, S., Aglyamov, S., Karpiouk, A., Emelianov, S. The mechanical properties of ex vivo bovine and porcine crystalline lenses: age-related changes and location-dependent variations. Ultrasound Med Biol. 39 (6), 1120-1127 (2013).
  20. Reilly, M. A., Hamilton, P., Gavin, P., Nathan, R. Comparison of the behavior of natural and refilled porcine lenses in a robotic lens stretcher. Exp Eye Res. 88 (3), 483-494 (2009).
  21. Mekonnen, T., et al. The lens capsule significantly affects the viscoelastic properties of the lens as quantified by optical coherence elastography. Front Bioeng Biotechnol. 11, 1134086(2023).
  22. Wilde, G. S., Burd, H. J., Judge, S. J. Shear modulus data for the human lens determined from a spinning lens test. Exp Eye Res. 97 (1), 36-48 (2012).

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Kompresja soczewki okabiomechaniczne w a ciwo ci soczewkimodu spr ysto cisztywno soczewkimechanizmy presbopiikompresja mi dzy r wnoleg ymi p ytamimateria wiskoelastycznyizolacja soczewkimodel Hertza

Powiązane artykuły